基于3D打印的高孔隙率月壤三維模擬物在小相位角下的光散射特性研究

隨著深空探測技術(shù)的持續(xù)進步，人類探月活動正從“月球認知"向“認知與利用并進"的關鍵階段轉(zhuǎn)變。月球土壤研究作為深化月球資源調(diào)查、推進月球資源開發(fā)利用、增強地外天體探測能力的基礎與關鍵，已成為全球航天大國競相爭奪的科技戰(zhàn)略高地，對國家科技進步和國際影響力提升具有極其重要的意義。

STRATEGIC

月壤研究的戰(zhàn)略性意義

月球反照效應，即相角接近0°時亮度顯著上升的現(xiàn)象。該效應對于遙感技術(shù)研究極為關鍵，因此，深入理解行星月壤雙向反射率的特性至關重要。近年來，人們一直認為月球的反照效應主要由陰影遮擋引起，但最近有研究表明，這種現(xiàn)象的主要原因是相干后向散射，這一結(jié)論基于月球土壤樣本反射率中圓偏振率在接近零相位角時的上升。進一步的分析表明，盡管相干后向散射很重要，但陰影遮擋也起著主要作用，因此，研究月壤可以更好的了解月球反照效應。

月壤即月球上的顆粒層，記錄了月球形成演化的許多重要信息，包括月球形成和演化的年代、月球火山活動、月球殼幔的物質(zhì)組成、水和揮發(fā)分的分布與來源、月球磁場演變、月表的太空風化作用、隕石撞擊歷史和月球資源等。一種常見的研究月壤特性的方法是測定其反射率，該反射率是指月壤散射光線與光源亮度之比，其值隨相位角（即光源、目標與探測器之間的角度）變化而變化。

月壤結(jié)構(gòu)是一種類似塔或城堡的堆積形態(tài)，主要由平均粒徑在60至80μm、高孔隙率的未固結(jié)顆粒構(gòu)成，被稱為“仙堡結(jié)構(gòu)"。由于仙堡結(jié)構(gòu)在低重力下顆粒弱結(jié)合，易受宇航員活動及火箭排氣影響而破壞。因此，在地球模擬月球低重力條件下制備仙堡結(jié)構(gòu)，需避免顆粒材料壓縮并保持結(jié)構(gòu)完整性，是一項具有挑戰(zhàn)的任務。

PRECISE

3D打印精準重現(xiàn)月壤孔隙

仙堡結(jié)構(gòu)與月球的反照效應緊密相關，然而，由于地球重力的作用，在實驗室中復現(xiàn)這一結(jié)構(gòu)以研究月球仙堡結(jié)構(gòu)的物理特性是尤其困難的。來自韓國天文和空間科學研究所(KASI)設計了一個用于3D打印的月球仙堡結(jié)構(gòu)模型。該模型具有高孔隙率，并且被簡化為樹狀形狀，其表面多孔構(gòu)造將以樹的數(shù)量、樹干最大長度及分支最大角度來描述。這一研究成果以“Light Scattering From High‐Porosity 3D Simulants of the Lunar Regolith at Small Phase Angles"為題，發(fā)表在《JGR Planets》上。

“仙堡結(jié)構(gòu)"是月壤顆粒呈塔狀堆疊的排列方式，但由于技術(shù)限制，復制這種結(jié)構(gòu)頗具挑戰(zhàn)。盡管粘結(jié)劑噴射和激光熔融等打印技術(shù)已獲驗證，但仍存在機械性能不足、孔隙率偏高和表面質(zhì)量不佳等問題。本研究采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)，利用其設計生產(chǎn)復雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，提升了機械性能和打印精度，減少了實驗中對樣本的損壞或干擾。

研究團隊首先設計了一種樹形結(jié)構(gòu)模型，由三個相接的六邊形柱構(gòu)成，其中一柱模擬樹干，其余兩柱模擬樹枝，相互連接。樹干與樹枝的幾何參數(shù)隨機設定，以模擬月壤顆粒的隨機排列。團隊選用摩方精密黑色HTL樹脂，通過microArch® S240（精度：10μm）3D打印設備，成功制得仙堡結(jié)構(gòu)模擬物（圖1）。

隨后，研究團隊在小相角范圍1.4°至5.0°內(nèi)測量了仙堡結(jié)構(gòu)模擬物的反射率。通過分析樣品孔隙率與反射率S(α)的切線斜率，S(α)反映了反照效應的強度。研究還將結(jié)果與月球觀測數(shù)據(jù)進行了對比，發(fā)現(xiàn)多孔樣品的S(α)值較大。研究中，分支長度和附著角度的影響較小。孔隙率在0.78至0.82之間的樣品與月球觀測數(shù)據(jù)中的S(α)值相似，對應月壤的平均孔隙率。總體而言，研究發(fā)現(xiàn)孔隙率與反照效應可能存在關聯(lián)，為探究月球反照效應提供了新的研究途徑。

該研究的數(shù)據(jù)處理順序如下：預處理、確定要合并的圖像幀數(shù)、圖像合并和孔徑光度測量。首先，研究團隊使用積分球捕獲一個平場圖像，并生成一個主平場圖像。在整個實驗過程中，持續(xù)拍攝暗圖像，保持相機溫度為5°C。

反照效應源于月壤微結(jié)構(gòu)的多種屬性之間的相互作用。本研究通過3D打印技術(shù)精確控制月壤模擬物的孔隙率，以減少影響反照效應的變量。這種高孔隙率結(jié)構(gòu)允許光線深入并多次反射，尤其在短樣本（lmax = 1.0）中更為顯著。圖4-7展示了這一趨勢，短且孔隙率高的樣本顯示出更高的反射率和更陡的S(α)斜率。圖4-6表明，大部分樣本遵循典型的相位曲線，即反射率隨相位角的減小而增加。

總結(jié)：本研究采用摩方精密3D打印技術(shù)制備簡化的仙堡結(jié)構(gòu)模型，通過改變樹木數(shù)量、最大樹干長度和最大分支角度，分析了小相位角（0°至5°）下的反照率變化，并利用模擬物成功復現(xiàn)了相位曲線。結(jié)果顯示，相位角接近零時，樣品反照率提升，特別是樹木少、分支短的樣本，最大分支角度對反照率影響不顯著。樣品孔隙度在0.78至0.82范圍內(nèi)時，S(α)值與月球玄武巖和高地相似，為月壤反照現(xiàn)象研究開辟新路徑。